双层套管CBL-VDL测井首波误判对固井质量评价的影响

康建云, 张国轶, 刘丹阳, 彭华君

(中石化西南石油工程公司测井分公司, 四川 成都 610100)

0 引 言

深井、超深井的油气勘探和开发采用双层套管甚至多层套管的完井方式越来越普遍。受双层套管声波传播路径以及多个界面反射造成的波列叠加影响,双层套管固井质量评价一直是个难题。双层套管固井CBL-VDL测井资料的可靠程度更是直接影响了固井质量的评价。双层套管CBL-VDL测井只有首波才真实反映了内层套管与水泥环的胶结情况,第2、3道波虽然也为套管波,但极有可能为外层套管波和内层套管波的叠加。实际操作中,当测量井段内固井质量较好、无自由套管,因首波幅度较小,以及测井对双层套管内、外层套管波叠加现象认识的不足,容易导致首波误判而套第2甚至第3道波进行CBL-VDL测井,一定程度影响了测井资料的可靠性和固井质量的评价。前人对双层套管井声传播特征和固井质量评价作过很多有益的分析,Tang X M等[1]详细介绍了声波测井的基本理论;黄文新等[2]用柱状多层理论模型计算并绘制了不同胶结状况下声波全波波形图,为双层套管固井质量评价提供了较好的依据;聂建山等[3]通过分析各界面不同胶结状况的波形特征,提出了双层套管固井质量评价方法。双层套管固井质量的评价方法较为成熟,但对双层套管固井测井的影响因素及质量控制研究较少。本文基于前人双层套管井声波传播理论,将套首波和套第2道波得到的测井资料进行对比,阐述套第2道波进行CBL-VDL测井对测井资料和固井质量评价的影响,为双层套管固井的测井操作和固井质量评价提供一定的依据。

1 双层套管声传播特征

1.1 声波在双层套管中的传播路径

CBL-VDL测井仪一般采用单发双收声系,发射器T发射声波频率为20 kHz(周期为50 μs),源距分别为3 ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和5 ft的2个接收器R1、R2,分别接收声波沿套管滑行和地层反射回来的2个全波列。R1接收到的全波列首波信号幅度经刻度后即为CBL值,R2接收到的全波列正半周的幅度转变成正比的灰度信号即为VDL信号[4-6](见图1)。

图1 声波在双层套管中的传播路径示意图

双层套管内层套管滑行波的传播路径为T—A—B—R1,外层套管滑行波的传播路径为T—A—C—D—B—R1。内层套管波首波到达时间为

t1=D1×Δtf+L×Δtc

(1)

式中,D1为内层套管直径,m;L为源距,CBL波列源距3 ft取值0.914 4 m;Δtf为泥浆的声波时差,取均值约为667 μs/m;Δtc为套管的声波时差,取均值约为187 μs/m。

外层套管波首波到达时间为

t2=D1×Δtf+(D2-D1)×Δth+L×Δtc

(2)

式中,D2为外层套管直径,m;Δth为水泥环的声波时差,取经验值约为357 μs/m。

内、外层套管首波到达时间差为(D2-D1)×Δth,以内层193.7 mm套管、外层273.1 mm套管为例,内、外层套管波到时差约为28 μs。全波列的前3道波列反映为套管波,若内、外层套管波到时差约半个周期发生波列叠加后,接收器R1接收到的全波列只有首波幅度反映为内层套管与水泥环的胶结情况,而第2、3道波为内层套管波和外层套管波的综合信息,一定程度上反映了外层套管与水泥环胶结情况[7-9]。

1.2 内、外层套管波叠加对波列的影响

当内层套管与水泥环胶结中-好(声耦合较好)、外层套管与外层水泥环胶结差-中(声耦合较差),外层套管波与内层套管波易发生波列叠加现象。根据同心层状地层模型,井外套管及套管外面的水泥层可以用井和地层介质之间的同心圆柱层模拟;当水泥胶结情况不好时,可以用套管与水泥之间或水泥与地层之间加一液体层模拟[1-2]。仪器接收到反射波的声压,有

(3)

式中,r为井眼半径;z为源距;s(ω)为声源频谱函数;B1为与井中势函数有关的非零常数,可由边界条件确定;I0为第Ⅰ类变型贝塞尔函数;K为波数的轴向分量;Kcl为井内流体纵波波数的径向分量。

1.2.1 内、外层套管波叠加导致的波列前移现象

图2为内、外层套管波发生叠加时经计算的声波波形及简化理论模型,其中图2(a)双层套管模型为内层套管水泥环胶结好而外层套管水泥环胶结差且内外层套管波到时相差约半个周期;单层套管模型为套管直径与双层套管的内层套管直径一样,且水泥完全胶结好。从单层套管声波波形可以看出,在约300 μs时出现了能量非常弱的套管波,400 μs和550 μs左右出现了地层纵波和横波,波形特征明显;而双层套管模型声能的传播途径主要为内层套管→内层水泥环→外层套管,大部分声能在外层套管中传播,因此内层套管波列幅度很小,外层套管波列较强。外层套管波首波到达时间约为325 μs,内、外层套管波叠加而成的波列相对于单层套管声波波形而言,首波缺失,第2、3道波出现了明显的前移现象。

图2 内、外层套管波叠加的计算声波波形及简化模型

1.2.2 内、外层套管波叠加导致的波列畸变现象

图2(b)双层套管模型为内层套管水泥环胶结中等,外层套管水泥环胶结差且内、外层套管波到时差大于半个周期;单层套管模型为套管直径与双层套管的内层套管直径一样,且套管与水泥环胶结中等。单层套管声波波形显示,约300 μs时出现了较小的套管波波列,持续时间较长,约550 μs时出现了地层横波。而双层套管模型因内层套管水泥环胶结中等,内层套管和水泥环的声耦合一般,声能部分在内层套管中传播,内层套管波有一定幅度,部分声能沿内层套管→内层水泥环→外层套管传播,声波能量衰减较大,外层套管波幅度较小。内、外层套管波叠加而成的波列相对于单层套管声波波形其首波到达时间基本一致,第2道波出现了明显的畸变现象。

实际测井资料中的内、外层套管波叠加导致波列前移或者畸变的现象也比较常见。××2井272～297 m井段一开固井CBL-VDL资料显示该段外层套管与水泥环胶结中-差,二开固井CBL-VDL资料显示内层套管与水泥环胶结程度中等,内、外层套管波发生了波列叠加现象,第2道波前移现象明显(见图3)。

图3 ××2井内、外层套管波叠加导致的波列前移现象

××2井1 144～1 151 m井段资料显示外层套管水泥环中等胶结,内层套管水泥环胶结中等,内、外层套管波的叠加导致第2道波发生了明显的畸变现象(见图4,图4中全波列均用的是5 ft变密度波列,内、外层套管波叠加对3 ft声幅波列的影响是一样的)。

图4 ××2井内、外层套管波叠加导致的波列畸变现象

1.3 双层套管固井对测井操作的要求

实际操作中套第2道波进行测井不仅可能导致测值不准,难以反映内层套管与水泥环的胶结情况,而且由于内、外层套管波叠加导致的波列前移和畸变现象,也难以保证准确的套第2道波,更是直接影响了测井资料的可靠性。

双层套管CBL-VDL测井准确套首波是取得可靠、高质量的资料的关键。仪器刻度首先需计算好内层套管波首波到达时间,使用合适增益使首波较易识别但又不至于限幅,并尽量减小门宽宽度(以免套到因内、外层套管波叠加而导致的波列前移的第2道波)。CBL波列套管波首波到达时间的计算参考式(1),常用套管的波列首波到达时间见表1。

表1 常见套管首波到达时间表

2 双层套管固井套首波与套第2道波测井资料对比

2.1 套第2道波测井资料的获得

进行测井资料对比井的选择原则是测井仪器居中良好(排除因仪器偏心导致的波列扭曲变形的影响)、测井资料质量高、双层套管段有自由套管,且声幅曲线有高、中、低值(水泥环与内层套管胶结好、中、差兼顾)。套第2道波声幅变密度测井资料采用曲线回放方式获得,操作时根据套管直径设定好波至时间和固定门宽,使声幅曲线准确套住第2道套管波,并在双层套管自由套管井段重新刻度,刻度值与套首波时基本保持一致。通过回放获得的声幅变密度测井资料与测井现场套首波取得的资料进行对比,以期得出套第2道波测井在不同情况下对CBL测值及固井质量评价的影响。

2.2 套首波与套第2道波测井资料对比

××2井273～307 m井段内层套管水泥环胶结中等,外层套管水泥环胶结中—差,内、外层套管波均较强,变密度全波列显示内、外层套管波有较明显的叠加作用,第2、3道波前移现象明显,套第2道波测井CBL值明显高于套首波时的CBL(见图5)。

图5 ××2井套首波和套第2道波测井资料对比图

××3井367～400 m井段内层套管水泥环胶结好,外层套管水泥环胶结差-中等,内层套管波微弱,外层套管波较强,变密度全波列显示内、外层套管波叠加作用明显,第2、3道波明显前移,基本反映为外层套管波(第2道波与外层首波在形态上也具有一定的相似性)。套第2道波声幅曲线值略高于套首波的声幅值(见图6)。

图6 ××3井套首波和套第2道波测井资料对比图

2.3 内、外层套管波叠加的几种情况及对CBL曲线的影响

内、外层套管波叠加可能出现的几种情况,①自由套管:当内层套管为自由套管,声波能量仅沿内层套管传播,不存在内、外层套管波的叠加作用,第2、3道波反映内层套管波;②内中差外好:内层套管水泥环胶结中等或差,外层套管水泥环胶结好,声波能量主要沿内层套管传播,外层套管波极微弱,内、外层套管波的叠加作用可忽略,第2、3道波主要反映内层套管波;③内外均好:内、外层套管与水泥环均胶结好,大部分声波能量沿地层传播,内、外层套管波均极弱,可以不考虑内外层套管波的叠加作用;④内中外中差:内层套管水泥环胶结中等,外层套管水泥环胶结中等或差,内、外层套管波叠加较为明显,第2、3道波可能出现前移,也有可能出现叠加后波形畸变的现象;⑤内好外中差:内层套管水泥环胶结好,外层套管水泥环胶结中等或差,内层套管波极微弱,第2、3道波基本上反映外层套管波,并会出现第2、3道波前移现象[6-8]。

外层套管与水泥环的胶结状况很大程度上决定了内、外层套管波是否会发生叠加作用。①、②、③的3种情况为自由套管或者外层套管水泥环胶结好,不存在或者可忽略内、外层套管的叠加作用, 前

3道波列均反映内层套管波,套首波和套第2道波测井对CBL曲线影响不明显;④和⑤的2种情况为外层套管水泥环胶结中等或差,由于内、外层套管波的叠加作用,第2、3道波可能出现前移、畸变现象,套首波和套第2道波测井CBL曲线差别较大,且普遍表现为套第2道波声幅值高于套首波时的声幅值。

2.4 套第2道波测井对单层套管CBL曲线的影响

在资料对比过程中发现,若套第2道波回放测井采用和套首波时相同的增益,双层自由套管段采用基本一致的刻度会导致单层套管处的声幅值整体偏低(可能由于双层套管井段因存在多个反射界面,界面声阻抗大,造成第2道波能量在双层套管井段大于相同胶结程度的单层套管),特别是对单层套管固井质量中等-差的井段影响较大,套第2道波容易导致固井质量差的井段表现为固井质量中等,固井质量中等表现为固井质量优的假象,从而造成单层套管的固井质量解释偏好的情况。

3 结 论

(1) 当内层套管与水泥环胶结中—好、外层套管与外层水泥环胶结差—中,外层套管波与内层套管波易发生波列叠加现象。波列叠加对内层套管波首波没有影响,但第2、3道波由于叠加作用相对内层套管波会出现前移或者畸变现象。

(2) 双层套管井段声幅变密度测井资料只有首波幅度反映内层套管与水泥环的胶结情况,套第2道波测井会导致双层套管内、外层套管波发生叠加的井段声幅值偏高,单层套管井段声幅值整体偏低,影响了固井质量的准确评价。

(3) 双层套管声幅变密度测井准确套住首波是取得可靠、高质量资料的关键。

参考文献:

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